鐵路勘測多專業綜合調查系統開發及應用

張 浩

(中國鐵路設計集團有限公司,天津 300251)

鐵路勘測設計中,需對沿線地形地貌、地質構造、社會經濟情況等進行調查,并在此基礎上,開展詳細設計[1]。隨著測繪技術的發展,高清航飛影像、數字線劃圖、點云等地理信息數據在專業調查工作中發揮重要的作用[2]。然而,這些數據大多比較分散,沒有得到有效整合及充分利用,且存在大量重復和冗余,極大地影響勘測設計的進度和效率[3]。

“互聯網+”的興起和5G的進步,為各行各業提供無處不在的大眾化、普及化、實時化和智能化服務的有利條件,測繪學也向著地理空間信息智能服務科學發展[4]。李海蓉利用奧維地圖將免費影像地圖和實時定位導航應用于鐵路環水保調查工作[5];郭靖等基于集成“3S”技術,將無人機和奧維地圖應用于艱險山區鐵路調查工作中[6]。但是,由于奧維地圖采用的是公共地圖,時效性差且精度不高,無法滿足重點區域調查工作的要求。

為解決當前調查工作中的信息化水平低下、各設計專業各自為戰等問題[7],研發一種鐵路勘測多專業綜合調查系統,融合多源地理信息數據及勘測設計資料,并將其發布成WebGIS服務[8-9],以期改變當前調查工作紙質化的現狀,提高鐵路勘測設計的智能化水平。

1 系統架構設計

采用B/S模式(瀏覽器/服務器模式)進行開發,將數據存儲、數據服務與云計算模塊統一置于服務器端[10],用戶通過瀏覽器或移動終端與服務器進行加密通信,相關指令。經服務器解析后完成相關的計算和數據準備,再次通過高速互聯網將計算結果和數據服務返回給客戶端,最后客戶端完成數據的解析后進行渲染展示。多專業綜合調查系統架構見圖1。

圖1 系統架構

1.1 數據層

基礎數據為PostgreSQL數據庫存儲地理信息數據和其他業務數據[11]。PostgreSQL是一個開源的對象關系數據庫管理系統,同時支持GIS數據的存儲擴展。 采用數據服務的形式可以解放用戶的存儲空間,便于管理維護和共享。系統采用開源GIS服務器GeoServer[12]和國產GIS服務器SuperMap iServer[13]進行地理信息數據及專業設計資料的服務發布。

1.2 業務層

在業務層(應用層),系統采用前后端分離的方式進行協同開發,后端選擇C#和Python兩種編程語言,實現調查要素坐標轉換、數據庫的“增刪改查”操作以及相關空間分析算法。

1.3 展示層

客戶端采用開源WebGIS框架Openlayers對地理信息數據[14]、鐵路專題數據及調查專題要素數據進行疊加和展示,按照數據分類和數據范圍動態渲染,采用開源圖表可視化框架Echarts進行統計數據的展示。

2 數據來源與處理

2.1 數據來源

系統使用的數據主要包括網絡地圖(天地圖)、0.2m分辨率高清航飛影像、1∶2000比例數字線劃圖等多源地理信息數據和設計線位等勘察設計資料數據,數據來源與服務發布形式見圖2。

圖2 數據來源與服務發布

2.2 數據處理

鐵路勘測設計中,需在1∶2000比例數字線劃圖的基礎上進行初步選線,并對其周邊的現場情況進行詳細調查。當前,多基于將數字線劃圖和設計線位疊加后的成果進行現場調查,電子化程度不高。為提高當前調查工作的智能化水平,將數字線劃圖中的調查對象進行實體化,并將實體化后的調查對象、數字線劃圖、高清航飛影像以及設計線位等資料發布成網絡服務。

(1) 調查對象實體化

為實現調查過程智能化,首先把CAD格式的1∶2000數字線劃圖轉換成shapefile格式[15],根據圖層與類別將線劃圖中的對象轉換成空間地理要素點、線、面,圖層與類別對應關系見圖3。轉換后每個對象作為獨立的地理實體,存儲空間位置和其他屬性信息。

圖3 調查對象實體化

(2)數據服務發布

為方便現場調查的過程中遠程瀏覽高清航飛影像、1∶2000比例數字線劃圖等設計基礎資料,需將這些數據發布成服務。高清航飛影像通過GeoServer發布成Tiled Map Service(TMS,瓦片地圖服務);數字線劃圖及設計線位等CAD格式的數據通過超圖iServer發布成UGCV5(MVT) 矢量瓦片服務;轉換后的調查要素通過GeoServer發布成Web Feature Service(WFS,網絡要素服務)。

圖4 數據服務

前端調用上述發布的服務進行渲染,實現線路、橋梁、隧道、路基、站場等5個專業27類調查對象在網絡地圖上的圖屬一體化表達,將調查對象屬性信息和空間信息智能掛接,并疊加高清影像服務和設計資料服務,可構建鐵路勘測調查“一張圖”(見圖5)。底圖為高清航飛影像服務,紅色部分為設計線位,紫色填充表示數字線劃圖中的房屋要素,藍色半透明為實體化的調查對象,點擊可以查詢其屬性信息,右側展開菜單表示調查實體種類。

圖5 鐵路勘測調查“一張圖”

3 功能模塊設計與實現

3.1 調查數據坐標轉換及實體化

鐵路勘測設計階段,調查基礎數據主要來源于1∶2000比例數字線劃圖,這些數據原始坐標系一般為工程獨立坐標系,且存儲于dwg、dxf等CAD格式的文件中,不便于實時分享和管理。因此,首先對CAD格式的調查數據進行坐標轉換,轉換至網絡地圖常用的球體墨卡托投影坐標系(EPSG:3857),然后將原始調查資料中的調查要素按照圖層與類型的對應關系進行實體化,并存儲于地理數據庫中,以便數據共享和管理。

3.2 實時共享與協同調查功能

通過將調查實體發布成WFS服務的方式,可以實現實時編輯共享和協同調查作業,充分發揮GIS的優勢。另外,為每個調查實體添加“上傳時間”、“更新時間”和“記錄員”3個屬性字段,通過制定相應規則來避免調查過程中出現的沖突操作,對調查實體進行區別渲染,在協同調查的過程中又互不影響,進而提高調查工作的效率。

3.3 離線調查模式

針對野外網絡信號不良的情況,該系統還實現離線調查模式,主要包括地圖離線緩存和調查實體的離線操作。

調查人員可以框選調查范圍,通過網絡請求對范圍內的地圖進行離線緩存,在野外網絡信號不良時加載本地緩存的地圖,以便調查人員查看對照。同時,使用SQLite數據庫來實現調查實體的本地存儲,在網絡不佳的情況下對本地調查實體數據庫進行增刪改查操作,待網絡信號恢復正常時與云端數據庫進行同步。

3.4 空間分析與計算功能

GIS具有強大的空間分析和計算能力,可充分應用于鐵路勘測設計中。該系統集成緩沖區分析、疊置分析以及空間統計計算等功能,可通過導入設計線位進行緩沖區分析和疊置分析,同時自動計算調查實體距離設計線位的距離、方位以及所處的線路里程等。

3.5 地圖基礎功能

該系統還具有地圖縮放,長度、角度、面積量測,圖層控制和導航等基本功能,同時還支持kml格式文件解析加載。

4 應用案例

某鐵路項目全長約122km,線路經過沖洪積平原、剝蝕丘陵、低山區等地形地貌,相對高差達800m,其間部分段落河谷深切,地形變化大,植被發育,現場調查較為困難。在項目定測階段,挑選具有代表性的路段(長30km,寬300m),采用鐵路勘測多專業綜合調查系統開展調查工作,組織調查人員5人;另在相同長度的路段配置調查人員10人,采用傳統調查方法進行對比。

4.1 調查實體屬性外業采集

調查實體屬性外業采集是整個調查工作的基礎,為后續調查成果報表智能輸出提供數據。調查人員通過系統移動端對調查對象的屬性和資料進行外業實地采集。

外業調查對象主要包括線路、橋梁、站場、路基、隧道等5個專業,房屋、圍墻、墳墓、電力線、通訊線、道路、河流、水庫等29種地物,通過對調查數據坐標轉換及實體化轉換之后,針對每種調查實體所需調查的信息設計相應的屬性數據表。調查人員在對現場進行調查后,將屬性信息和現場照片填報在對應的調查實體中,即完成調查實體的屬性采集和電子歸檔工作,實現外業調查過程“無紙化”。

對某房屋進行現場調查,通過實際觀察和現場咨詢,填寫該房屋的間數、面積、新舊程度等屬性信息,并上傳現場房屋照片見圖6,即可完成該房屋的調查工作。

圖6 房屋現場調查

4.2 內外業調查一體化

調查人員在現場完成調查實體屬性信息采集后,可以實時共享到別的移動設備和桌面端(見圖7)。內業人員可以實時查看外業調查工作進度,綜合研判之后,將指導意見及時反饋給現場調查人員以避免疏漏;同時,提高內外業調查協作水平和工作效率,實現內外業調查一體化。

圖7 內外業調查一體化

4.3 調查成果智能輸出

對調查實體進行屬性采集之后,利用系統的空間分析和計算功能,可以對調查成果進行智能化輸出,免去以往人工整理計算的繁瑣操作。每個調查實體都有空間位置和調查屬性信息,在設計線位的基礎上,通過空間分析,可計算出調查實體所處的里程信息以及距離設計線位的距離和方位,并將此信息保存到對應的調查實體中。

如圖8所示,篩選線路里程CK0至CK1200之間的房屋,在系統中導出線路專業標準化報表“拆遷建筑物表(一)”,表中“里程”和“距中線”均為系統自動計算得出。另外,還可以根據線路里程范圍篩選滿足條件的房屋、圍墻、窯洞和墳墓,并將其導出為dxf格式的拆遷圖層,調查實體的部分屬性如房屋層數會在拆遷圖層中顯示。

圖8 CK0-CK1200拆遷建筑物信息

此外,可以按照站場、路基、隧道和橋梁專業報表的格式,通過系統將電子調查成果智能輸出為各專業所需的報表,如“車站房屋調查表”“路基用地分類表”“橋梁外業調查結果表”等。同時,各設計專業還可以根據調查實體類型和調查日期進行篩選,導出kml格式的調查實體及其對應的現場圖片,供測繪專業人員補測地形圖時使用,節省傳統調查過程中上下序分發任務單的時間。

4.4 對比分析

通過對比測試,采用本系統可智能輸出標準化成果報表16種,在調查人員減少5人的情況下提前7d完成工作。與現階段常規調查方法相比,本系統實現內外業協同調查,同時實現整個調查過程“無紙化”。采用“內業解譯-外業調查-成果智能輸出歸檔”的新型調查模式與傳統調查模式的對比情況見表1。

表1 本系統調查方法與傳統方法對比

5 結語

鐵路勘測設計調查工作存在信息化水平低、調查數據管理不善、存在信息孤島等現象。為改善上述問題,研發一種鐵路勘測多專業綜合調查系統,可充分發揮GIS在空間數據管理與協作上的優勢,通過對調查所需的基礎數據進行實體化轉化和服務發布,構建鐵路勘測調查“一張圖”,改進傳統調查工作流程,實現“內業解譯-外業調查-成果智能輸出歸檔”的新型調查模式。實踐表明,采用本系統進行調查可以節省調查工作時間,有效改進傳統調查方法中重復調查的弊端,提高信息化水平和工作效率。